Введение к работе
з
Актуальность темы. Промышленный подъем России может базироваться только на тесной интеграции науки и производства во всех отраслях промышленности. При этом особое внимание должно быть уделено наукоемким технологиям, определяющим технический прогресс в XXI веке. Важная роль отводится новым высоким и безотходным технологиям и экологии производства. В этих условиях возрастает значение абразивной обработки н особенно наиболее распространенного ее вида - шлифования, как основного высокопроизводительного способа получения окончательно обработанных деталей.
Известно, что состояние рабочей поверхности шлифовального круга, сформированное при правке, оказывает доминирующее влияние на процесс обработки. От качества правки зависят теплообразование в зоне шлифования, период стойкости круга, производительность обработки, параметры качества шлифованных деталей. При этом важно не только обеспечить высокую режущую способность круга в процессе правки, но и сохранить ее в процессе шлифования заготовок. Правка кругов и шлифование заготовок сопровождаются большим теплообразованием и высокими контактными температурами. В силу известных причин основным аккумулятором тепла при правке является правящий инструмент, а при шлифовании - обрабатываемая заготовка. В связи с этим, одним из важнейших факторов, обеспечивающих производительность шлифования и заданные характеристики качества шлифованных деталей, является рациональное применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), которые коренным образом изменяют характер протекания контактных взаимодействий, оказывают позитивное влияние на работоспособность шлифовальных кругов и правящих инструментов, формирование качества поверхностных слоев шлифованных деталей. К настоящему времени разработаны некоторые аспекты научных основ применения СОЖ на операциях шлифования: созданы математические модели износа абразивных зерен, сил резания, высотных и шаговых параметров шероховатости шлифованных поверхностей и др. Несмотря на значительные успехи, разработка научных основ применения СОЖ при шлифовании далека от завершения: отсутствуют данные о механизме действия СОЖ при правке круга, о взаимовлиянии процессов правки и шлифования с применением СОЖ, тепловом и силовом взаимодействии контактирующих объектов при правке и шлифовании заготовок с непрерывной правкой и применением СОЖ; недостаточно исследованы возможности использования ультразвуковых колебаний (УЗК) в технологии применения СОЖ. До сих пор нет надежных методов количественной оценки тепловой напряженности процессов правки и шлифования с применением СОЖ, а следовательно, нет возможности без проведения экспери-
ментальных исследований достаточно полно и объективно оценить и реализовать потенциальные возможности СОЖ. Все это, в свою очередь, затрудняет внедрение в действующее производство новых технологических методов, приемов и средств повышения эффективности шлифовальных операций, выполняемых с применением СОЖ. Народнохозяйственное значение и актуальность проблемы повышения эффективности процессов механической обработки путем рационального применения СОЖ подтверждает ряд постановлений ГКНТ СССР, в соответствии с которыми были! выполнены комплексные научные исследования, позволившие создать отечественный ассортимент высокоэффективных СОЖ, технологии их приготовления и техники применения (научно-технические проблемы ГКНТ СССР 0.03.075,0.03.92,0.16.10 в 1971-90 гг.).
Автор защищает: 1.Комплекс математических и физико-математических моделей процессов правки и шлифования, состоящий из моделей теплового взаимодействия алмазного правящего инструмента и шлифовального круга при правке с применением СОЖ, теплового взаимодействия правящего инструмента, шлифовального круга и заготовки при шлифовании с непрерывной правкой, математической модели движения СОЖ в контактные зоны сквозь поровое пространство круга, моделей сил правки круга единичным алмазом и алмазным роликом, а также модели поглощения УЗ-волн при движении СОЖ сквозь поровое пространство крута.
-
Методику, алгоритмы и пакеты программ численного расчета теплового состояния системы контактирующих объектов при правке круга и шлифовании заготовок.
-
Результаты численных решений уравнений теплообмена и экспериментальных исследований теплового состояния системы контак тирующих объектов при правке круга и шлифовании заготовок с примене ниєм СОЖ, в том числе при шлифовании с непрерывной правкой круга.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследование влияния УЗК на процессы транспортирования СОЖ к контактным зонаи правки и шлифования.
-
Методики и результаты опытно-промышленных испытаний і внедрения СОЖ, техники их подачи при правке и шлифовании, устройст для непрерывной правки в процессе шлифования, новых технологически процессов шлифования заготовок из труднообрабатываемых материалов.
Цель работы: Повышение производительности шлифовальных one раций и сокращение расхода правящих инструментов и шлифовальны кругов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе реик ны следующие задачи:
1. Разработаны математические модели теплопроводности алмаза,
связки и корпуса правящего инструмента, сухого и пропитанного СОЖ
шлифовального круга, обрабатываемой заготовки.
-
Теоретически и экспериментально исследованы тепловые процессы при взаимодействии круга с правящим инструментом и заготовкой при правке и шлифовании с применением СОЖ, получены математические модели для расчета контактных температур в зонах правки и шлифования.
-
Теоретически и экспериментально исследованы особенности силового взаимодействия контактирующих объектов в процессах правки и шлифования с непрерывной правкой и применением СОЖ.
-
Теоретически и экспериментально исследовано влияние УЗК на процессы транспортирования СОЖ к контактным зонам при правке и шлифовании.
-
Разработаны технологические методы и средства повышения режущей способности шлифовальных кругов при правке и шлифовании с применением СОЖ.
-
Разработаны и внедрены в производство ресурсосберегающие технологии бездефектного шлифования заготовок на основе рационального применения СОЖ.
Научная новизна. Впервые в практике шлифования аналитическим путем установлены закономерности изменения контактных температур в зонах правки и шлифования в зависимости от теплофизических свойств контактирующих объектов (заготовок, шлифовальных кругов, правящих инструментов, СОЖ) и режимов правки кругов и шлифования заготовок. В отличие от известных работ по теплофизике шлифования и правки в новых моделях впервые учтена зависимость теплофизических свойств взаимодействующих объектов (включая СОЖ и воздушные потоки, генерируемые вращающимся кругом) от температуры.
Впервые получено уравнение движения жидкости в пористом вращающемся шлифовальном круге с учетом вязкостного и инерционного коэффициентов гидравлического сопротивления.
Разработана оригинальная методика численного расчета теплового состояния системы вращающегося шлифовального круга и поступательно движущегося в процессе правки точением правящего инструмента.
Получена математическая модель сил резания единичным алмазом, учитывающая трение контактирующих при правке круга объектов и свойства окружающей среды.
Аналитически и экспериментально доказано влияние различных параметров УЗК (амплитуда и частота, форма и направленность выходного сигнала, наличие фокусирующей системы) на технологическую эффективность УЗ-техники подачи СОЖ при правке круга и шлифовании заготовок.
Практическая ценность и реализация работы. Разработаны алгоритмы и пакеты программ для расчета температурных полей контактирующих объектов при правке и шлифовании с непрерывной правкой, для расчета коэффициентов вязкостного и инерционного гидравлического сопротивления фильтрации СОЖ при движении ее сквозь поровое пространство вращающегося шлифовального круга к зонам правки и шлифования. Найдены характеристики проницаемости кругов на керамической связке, различных по зернистости, твердости и структуре, при наличии и отсутствии УЗК давления фильтрующейся сквозь поры круга СОЖ.
Для использования в промышленности предлагаются: УЗ-техника подачи СОЖ, защищенная 7 авторскими свидетельствами (а.с.) и патентами на изобретения, серийное производство которой подготовлено УлГТУ совместно с АО "Техника, технология, конструирование" (г.Ульяновск): новые конструкции устройств для правки шлифовальных кругов, защищенные пятью а.с. и патентами на изобретения; технологические процессь шлифования, построенные на основе рационального выбора состава СОЖ и УЗ-техники их подачи, и нормативно-техническая документация отрас левого и межотраслевого характера.
Результаты разработок диссертации используются на различны: предприятиях с суммарным фактическим годовым эффектом (в ценах 199: года) свыше 1 млн. руб. УЗ-техника подачи СОЖ внедрена на 56 станках новые устройства для правки круга - на двух станках, новые технологиче ские процессы шлифования - на 10 предприятиях. Нормативно-техническа документация (6 наименований), разработанная на основе результате НИР, используется на предприятиях авиационной и других отраслей прс мышлешюсти стран СНГ.
Апробация работы. Основные результаты доложены и представлені на Всесоюзном научно-техническом семинаре (НТС) "Разработка и прим< нение смазочно-охлаждающих жидкостей", Киев, 1973; Первой Всесою: ной научно-технической конференции (НТК) "Совершенствование процеї сов финишной обработки в машиностроении", Минск, 1975; Всесоюзно НТК "Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработк металлов резанием", Одесса, 1980; ежегодных координационных совещ; ниях ответственных исполнителей программ ГКНТ СССР по созданию ні вых СОЖ, Киев, Волжский, Горький, Москва, Львов, Ульяновск, Новг род, Иваново, 1976-90; Всесоюзном НТС "Повышение качества и долг вечности деталей машин при алмазно-абразивной обработке", Волжски 1981; Всесоюзной НТК "Технология и триботехнические характеристш деталей машин", Москва, 1983; Второй Всесоюзной НТК "Технолог ческое управление триботехническими характеристиками узлов машин Кишинев, 1985; Всесоюзной НТК "Интенсификация технологических пр цессов механической обработки", Ленинград, 1986; Всесоюзной Ш
1 "Прогрессивные процессы шлифования, инструмент и его рациональная эксплуатация", Ереван, 1986; Всесоюзном НТС "Опыт применения новых смазочно-охлаждающнх сред при обработке металлов резанием", Горький, 1987; Всесоюзной НТК '"Современные проблемы триботехнологии", Николаев, 1988; Третьем Всесоюзном НТС "Оптимшлифабразив", Новгород, 1988; Всесоюзном НТС "Чистовая обработка материалов резанием", Москва, 1990; Международной НТК "Смазочно-охлаждающие технологические средства для обработки материалов", Херсон, 1992; Международной НТК "Смазочно-охлаждающие технологические средства при механической обработке заготовок из различных материалов", Ульяновск, 1993; Международной НТК "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", Москва, 1993, 1994, 1995; Международной НТК "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении", Казань, 1995; Третьем Минском международном форуме "Тепломассообмен ММФ-96", Минск, 1996; Девятой Республиканской НТК "Теплофизика технологических процессов", Рыбинск, 1996; научно-техническом Совете НИАТ, Москва, 1983, 1985, 1997; научно-техническом совете машиностроительного факультета УлГТУ, 1988, 1994, 1997; НТС кафедр "Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и инструменты" Самарского ГТУ (1997) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано ПО работ, в том числе 8 книжных и 22 а. с. и патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 500 с. (в том числе 171 с. машинописного текста), 94 рисунка, 50 таблиц. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы (283 наименования), 5 приложений.
